Электронно-лучевая литография

Существуют две основные возможности использования электронных пучков для облучения поверхности пластины с целью нанесения рисунка. Это одновременное экспонирование всего изображения целиком и последовательное экспонирование (сканирование) отдельных участков рисунка.

Проекционные системы, как правило, имеют высокую производительность и более просты, чем сканирующие системы. Носителем информации об изображении является маска (шаблон). Изображение с шаблона передается на пластину лучом электронов.

Сканирующие системы управляются вычислительной машиной, которая задает программу перемещения сфокусированного пучка электронов для нанесения рисунка, исправляет эффекты дисторсии и расширения пучка и определяет положение пластины.  Информация об изображении хранится в памяти ЭВМ.

Непосредственное нанесение рисунка с помощью ЭВМ позволяет обойтись без шаблона. Поэтому электронно-лучевые сканирующие системы могут быть использованы как для изготовления шаблонов, так и для непосредственной прорисовки на пластине. Эти установки имеют высокое пространственное расширение и точность совмещения, приближающиеся к 0,1 мкм.

Электронно-лучевая литография для изготовления шаблонов имеет явные преимущества даже в тех случаях, когда для совмещения шаблона с подложкой и экспонирования резиста применяется способ фотолитографии. ЭЛЛ обеспечивает превосходное разрешение линий оригинала, давая возможность улучшить качество шаблона.

Проекционная электронно-лучевая литография                                                                      

В электронно-лучевой литографии используются процессы, основанные на прямом рисовании рисунка на поверхности резиста. Низкая производительность процесса не позволяет рассчитывать на широкое внедрение этого метода в производство.

Попытки разработать эффективную систему высокопроизводительной проекционной ЭЛЛ долгое время не давали положительного результата по двум главным причинам. Во-первых, работа маски основана на разной поглощающей способности отдельных участков рисунка. В результате долгого облучения происходил ее нагрев в результате поглощения большой дозы излучения. Это накладывало ограничение на ускоряющее напряжение проекционных электронных литографов. Вторая причина заключалась в том, что при допустимых энергиях электронов нельзя применять малые числовые апертуры из-за снижения глубины фокуса и поля зрения магнитных фокусирующих систем.

Проекционные системы

Электронно-лучевая проекционная литография основана на экспонировании одиночного изображения больших размеров для получения копий шаблона с линиями субмикронной толщины. Шаблон изготавливается заранее методом сканирующей электронной литографии. Для производства  электронных приборов разработаны две разновидности лучевых проекционных систем.

Система с точной передачей размеров

В системе используется фотокатод, на который нанесен необходимый рисунок в виде тонкой металлической пленки. Фотоэлектроны, вылетающие с фотокатода, ускоряются по направлению к пластине напряжением 20 кВ, приложенным между катодом и пластиной. Однородное магнитное поле фокусирует эти фотоэлектроны на пластине (аноде) с однократным увеличением изображения.

Система с уменьшением изображения

В качестве маски в такой системе используется свободно подвешенная металлическая фольга. Поток электронов, фокусированный специальной электрооптической системой, проходит через маску и формирует на пластине четкое изображение меньших размеров. Для десятикратного уменьшения размера могут быть сформированы поля диаметром 3 мм и получена ширина линий до 0,25 мкм. Схема установки приведена на рис. 24.

Рис. 24. Проекционная система с уменьшением изображения.

Для совмещения шаблона и образца используется режим сканирования. В этом режиме электронный луч фокусируется на шаблоне (а не на образце, как при проецировании изображения) и сканируется по нему так, что на образец попадает изображение от этого сфокусированного луча.

Лучевые сканирующие системы

Существует несколько систем формирования пучка:

- с гауссовым распределением;
- с квадратным сечением;
- с круглым сечением.

При получении Гауссового распределения используется тот же принцип, что и при формировании луча в обычном электронном сканирующем микроскопе. С помощью двух или более линз электроны фокусируются на поверхность пластины так, что первоначальные размеры пучка, идущего от источника электронов, уменьшаются. Система обладает достаточной гибкостью, поскольку размеры сформированного пучка могут варьироваться в широких пределах путем изменения фокусного расстояния электронных линз.

Рис. 25. Сканирующая система с гауссовым распределением пучка.

Методы профилирования луча в системах с экспозицией электронами очень разнообразны. Основой сложных профилей является луч круглого сечения с гауссовым распределением плотности тока, обеспечивающий экспонирование одной точки изображения за некоторое время. Размер такого пучка, соответствующий полуширине гауссова распределения, определяет пространственное разрешение и обычно в 4-5 раз меньше минимального размера рисунка.

Существует два основных способа перемещения пучка:

1. Растровый способ перемещения.

Пучок сканируется по всей области кристалла и для создания нужного рисунка включается и выключается в определенные моменты времени. При растровом способе предъявляются менее жесткие требования к системе отклонения пучка, так как вследствие многократного повторения процесса сканирования искажения, связанные с вихревыми токами и гистерезисом, легко могут быть скомпенсированы.

2. Векторный способ перемещения.

Пучок перемещается только в ту область, где необходимо провести экспонирование. Как правило, наносимый рисунок разлагается на ряд простейших фигур. Векторное сканирование эффективнее, но требует использования совершенной отклоняющей системы.

Контроль взаимного расположения электронного пучка и пластины может осуществляться методом сравнения положения контрольной метки или с помощью точного определения положения стола лазерным интерферометром. В микроэлектронике контрольные метки изготавливаются в виде тонкопленочных полосок из материала с большим атомным номером или специального топографического рисунка из материала, имеющего атомный номер, равный или близкий атомному номеру подложки. При сканировании поверхности электронный пучок проходит области, где нанесен другой материал, в результате чего вырабатывается соответствующий сигнал.

В качестве резиста обычно используют позитивные резисты, полученные на основе полиметилметакрилата (ПММА). Для позитивных резистов экспонирование электронным пучком вызывает уменьшение его молекулярного веса при разрыве связей между молекулами, увеличивая их растворимость. Для негативных - облучение стимулирует образование поперечных связей в молекулах полимера. В результате образуется сложная слаборастворимая трехмерная молекулярная структура с большой плотностью. Разбухание негативных резистов ограничивает разрешающую способность до 1 мкм. Для позитивных - она составляет 0.1 мкм.